Radarreflektor

Radarreflektoren sind Retroreflektoren für Radaranwendungen und zumeist konstruiert als Tripelspiegel (englisch Corner reflector). Sie erzeugen für Radargeräte ein besonders starkes Echosignal und somit ein sicheres Zielzeichen (englisch target) auf dem Radarschirm für Objekte, die ansonsten nur über eine sehr geringe oder instabile effektive Reflexionsfläche verfügen. Radarreflektoren werden nach quasioptischen Prinzipien konstruiert und verwenden meist die Spiegelreflexion (Reflexion an glatten Flächen), aber auch die Brechung und Beugung zur Erzeugung einer effektiven Reflexionsfläche. Als Bezugsgröße für die Wirksamkeit eines Radarreflektors wird meist diese Fläche in Quadratmeter angegeben.

Der Tripelspiegel (bestehend aus drei orthogonalen Metallplatten) ist der Urtyp des Radarreflektors

Bezugsgröße

Von der Referenz (kugelförmiger Reflektor) kann nur ein sehr kleiner Anteil der Oberfläche bei der Retroreflexion wirksam sein. Der größte Anteil wird in Richtungen gelenkt, die vom Radargerät nicht genutzt werden können.

→ Hauptartikel: Radarquerschnitt

Als Referenz wird ein kugelförmiger Reflektor mit einer ideal leitenden Oberfläche angegeben, dessen Parallelprojektion auf eine Ebene senkrecht zur Projektionsrichtung (sprich: dessen Schatten auf dieser Ebene) eine Fläche von einem Quadratmeter aufweist. Diese kreisförmige Fläche mit der Größe von einem Quadratmeter hat einen Durchmesser von etwa 1,33 m. Von diesem Referenzreflektor ist jedoch nur eine sehr kleine Fläche als Rückstrahler wirksam: es sind nur wenige Zentimeter genau in der Mitte, welche die ankommende Sendeenergie genau in die Richtung des Radargerätes zurück reflektieren können. Alle anderen Flächen dieser Kugel verteilen die ankommende Energie im Raum. Sie sind an der Retroreflexion nicht beteiligt. Allerdings hat diese Referenz den Vorteil, dass sie richtungsunabhängig ist: sie reflektiert in alle Richtungen gleich gut.

Durch einen Radarreflektor wird ein sehr viel größerer Anteil seiner Oberfläche für die Retroreflexion wirksam. Selbst geometrisch sehr kleine Flächen eines Winkelreflektors mit wenigen Quadratzentimetern Oberfläche können vergleichbar viel (manchmal sogar mehr) Energie genau zum Radar zurück reflektieren, als diese Kugel mit dem Durchmesser von 1,33 m. Sie haben damit trotz der geringen geometrischen Größe eine effektive Reflexionsfläche von einem (oder mehr) Quadratmetern.

In der Praxis können Berechnungen dieser effektiven Reflexionsfläche nur näherungsweise durchgeführt werden. Es wird durch diese Winkelreflektoren nicht nur einfach reflektiert, sondern es treten noch mehr physikalische Effekte auf, zum Beispiel eine Beugung an den Außenkanten. Das führt zu einer sogenannten „umlaufenden Welle“, deren Energieanteil dann mit dem reflektierten Anteil in entweder konstruktiver oder destruktiver Interferenz tritt. Je nach Größe des Winkelreflektors und somit je nach Länge des Umwegs der umlaufenden Welle kann die zurück reflektierte Energie im günstigen Fall auf mehr als das Doppelte ansteigen, oder ungünstigenfalls weniger als die Hälfte sein. Dieser Effekt ist ebenfalls abhängig von der Wellenlänge des Radargerätes. Dieses Verhalten kann bei in der Seefahrt genutzten Winkelreflektoren gezielt ausgenutzt werden, da die dort genutzten Radargeräte alle in einem sehr schmalen Frequenzbereich arbeiten (etwa 9,3 bis 10,5 GHz, das entspricht einer Wellenlänge von etwa 3 cm).

Winkelreflektoren

Winkelreflektor mit zwei Flächen

Winkelreflektoren bestehen im Grundelement aus zwei oder drei im Winkel von exakt 90° zueinander stehenden elektrisch leitenden Flächen. Aus diesem Grundelement werden verschiedene Formen von Winkelreflektoren konstruiert. Winkelreflektoren mit drei Flächen reflektieren Funkwellen und Mikrowellenstrahlung in genau die Richtung, aus der die Quellstrahlung erfolgt, ohne dass sie wie ein Spiegel senkrecht dazu ausgerichtet sein müssen.

Wirkungsweise

Phasengleiche Reflexion durch gleiche Streckenlängen a+b+c=a'+b'+c'
somit wird wieder eine parallele Wellenfront in Richtung des Senders gebildet

Ist die Wellenlänge klein gegenüber den geometrischen Abmaßen des Winkelreflektors, liegt Retroreflexion nach rein optischen Gesetzen vor. Eintreffende elektromagnetische Wellen werden durch doppelte oder dreifache Reflexion in genau die Richtung zurückgeworfen, aus der sie kommen. Auch kleine Objekte mit geringer Reflexionsfläche erlangen dadurch eine starke Reflexion zurück in Richtung Strahlungsquelle, sie liefern ein sehr viel stärkeres Radarecho als andere reflektierende Körper und erscheinen auf einem analogen Radarschirm wesentlich heller. Die zweifache Reflexion an 90° zueinander stehenden elektrisch leitenden Platten geschieht phasensynchron, da die Strecken der einzelnen Phasen gleich sind (a+b+c = a'+b'+c'). Bei einem beliebigen Einfallswinkel wirkt der Winkelreflektor somit wie eine im rechten Winkel zur Einfallsrichtung stehende Platte. Diese Phasenkongruenz ist nur in der Richtung gegeben, aus der die Quellstrahlung erfolgt. Die wirksame Fläche entspricht in der Hauptrichtung etwa der Projektion des Winkelreflektors auf die Ebene dieser Platte.

Winkelreflektoren mit zwei Flächen

Diese Winkelreflektoren bestehen nur aus zwei Flächen, die exakt rechtwinklig zueinander stehen. Die Teilflächen müssen für eine gute Funktion exakt senkrecht zur Ebene der einfallenden Wellen montiert werden. Entgegen dem erklärten Ziel der Konstruktion, in jede Richtung annähernd gleich gut zu reflektieren, sind diese Winkelreflektoren immer noch stark richtungsabhängig. Die maximal zurück reflektierte Energie kann nur in einer Hauptrichtung (in Richtung Symmetrieachse) wirksam werden. Diese Hauptrichtung ist gegeben, wenn die Parallelprojektion beider einzelnen Reflexionsflächen etwa gleich groß ist. Die Flächen stehen damit etwa 45° zu der Symmetrieachse. Die in Richtung Radargerät zurück reflektierte Energie sinkt ab ±15° Abweichung von der Symmetrieachse auf die Hälfte des Maximums.

Zur theoretischen Berechnung der effektiven Reflexionsfläche eines Winkelreflektors mit zwei quadratischen Flächen gilt die Formel  :

$\sigma ={\frac {8\pi \cdot s^{2}}{\lambda ^{2}}}$         (1)

$\sigma$ = effektive Reflexionsfläche

${\text{s}}$ = Fläche einer Seite des Reflektors.

$\lambda$ = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes

Bei der Anwendung der Formeln muss beachtet werden, dass, wenn der Winkelreflektor kleiner als etwa die zehnfache Wellenlänge des abfragenden Radargerätes ist, durch lokale Resonanzen der praktische Wert der effektiven Reflexionsfläche um das bis zu vierfache vom theoretisch berechneten Wert sowohl nach oben als auch nach unten abweichen kann. Da die Frequenzen von häufig verwendeten Navigationsradargeräten bekannt sind (etwa 9,3 bis 10,5 GHz), haben sich in der Praxis Standardgrößen als ungefähres Vielfaches der verwendeten Wellenlängen durchgesetzt, die mit ihrer geometrischen Größe gerade so liegen, dass eine positive Abweichung vom theoretisch errechneten Wert zum Tragen kommt. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto geringer ist der Einfluss der Resonanz. Ab der zehnfachen Wellenlänge ist dieser Einfluss vernachlässigbar klein. Das gilt dann im oben genannten Frequenzband ab einer Kantenlänge von 30 cm an aufwärts - trifft also für die meisten dieser im Handel angebotenen Winkelreflektoren nicht zu.

Winkelreflektoren mit drei Flächen

Triangularer Winkelreflektor als Ausschnitt eines Würfels

Winkelreflektoren mit drei reflektierenden Flächen im Winkel von 90° zueinander werden dort eingesetzt, wo eine Retroreflexion in den dreidimensionalen Raum notwendig ist. Diese triangularen Reflektoren funktionieren wie das optische Analogon des Retroreflektors, gelegentlich auch als „Katzenauge“ bezeichnet. Die maximale effektive Rückstrahlfläche tritt in Richtung der Symmetrieachse auf. Die effektive Rückstrahlfläche des im Bild „Triangularer Winkelreflektor“ gezeigten Winkelreflektors aus dreieckigen Flächen wird berechnet nach:

$\sigma ={\frac {4\pi \cdot a^{4}}{3\cdot \lambda ^{2}}}$         (2)

$\sigma$ = Effektive Rückstrahlfläche

${\text{a}}$ = Länge der sich berührenden Kanten der drei gleichschenkligen Dreiecke eines triangularen Winkelreflektors

$\lambda$ = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes

Betrag und Phase der reflektierten Energie bleiben in den von Radargeräten verwendeten Frequenzen unabhängig vom Einstrahlwinkel relativ konstant bis in den Bereich, in welchem die reflektierte Wellenlänge in die Größenordnung der Abmessungen der Reflektorflächen kommt. Die Einzelflächen des Winkelreflektors sollten also groß gegenüber der Wellenlänge sein. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto mehr Energie wird reflektiert. Die Halbwertsbreite der Hauptrichtung ist je nach der Geometrie der drei Flächen etwa 20° bis 40°.

Wenn von diesem berechneten Winkelreflektor mindestens acht oder mehr Stück so zusammengefügt werden, dass in jede Richtung zurückgestrahlt wird, dann ist dem beobachtenden Radargerät immer einer der Winkelreflektoren mehr oder weniger effektiv zugewandt. Diese Bauart von Winkelreflektoren hat ein sehr kompliziertes Diagramm der Rückstrahlung, in welchem die jeweilige Größe der effektiven Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Richtung der eintreffenden Radarstrahlung eingetragen werden kann. Die Hauptrichtung ist wieder die Position, in der alle drei sichtbaren Teilflächen eine gleich große Parallelprojektion haben.

Vorteil des Winkelreflektors mit drei Flächen ist seine lageunabhängigere Funktion (er darf auch vertikal etwas geneigt sein) und die größere mechanische Stabilität. Diese Bauform wird daher eingesetzt, wenn sich die Winkel in zwei Richtungen ändern können. Nachteil ist, dass er bei gleicher effektiver Rückstrahlfläche größer als ein zweiflächiger Winkelreflektor gebaut werden muss, da die spitzen Enden des Winkelreflektors an der Reflexion in die Ursprungsrichtung nicht teilnehmen. An diesen Enden wird lageabhängig möglicherweise nur zweimal reflektiert, so dass diese Energie in eine andere Richtung gelenkt wird. Von der Gesamtfläche der Parallelprojektion ist in Richtung Symmetrieachse (Hauptrichtung) ein nur etwa gleichseitiges Sechseck wirksam. Manche Hersteller verzichten daher auf diese Ecken, so dass der Winkelreflektor eine polygone Form wie in diesem Bild erhält. Oft werden auch Bauformen aus Kreisflächen verwendet. Sie bieten einen guten Kompromiss zwischen Radarquerschnitt und Windlast. Sie sind oft in einer Kunststoffkugel untergebracht, um sie vor Eisansatz zu schützen und die Windlast weiter zu senken. Solche Kunststoffkugeln mit Winkelreflektoren sind oft an Hochspannungsleitungen in der Nähe von Autobahnen zu sehen, da die dünnen Leitungen bei schlechter Sicht eine Gefahr für Hubschrauberpiloten der Luftrettung oder für Polizei darstellen.

Die höchste Rückreflexion bezogen auf die Seitenlänge besitzen Formen aus drei Quadraten (Würfel mit drei fehlenden Seiten), sie beträgt in Richtung der fehlenden Würfelecke: 

$\sigma ={\frac {12\pi \cdot a^{4}}{\lambda ^{2}}}$         (3)

Für die in der Binnenschifffahrt meist im I/J-Band arbeitenden Navigationsradargeräte mit einer Wellenlänge von etwa 3 cm ist ein Winkelreflektor aus quadratischen Aluminiumplatten mit einer Kantenlänge von je 20 cm als Radarziel ausreichend.

Ein Winkelreflektor, der rundherum in alle Richtungen zurückstrahlt, besteht zeichnerisch aus 12 gleichschenkligen Dreiecken. Beim praktischen Bau (siehe Bauanleitung) wird von drei gleich großen quadratischen Blechen ausgegangen, von denen eines diagonal halbiert wird. Anschließend werden Einschnitte mit einer Schnittdicke gleich der Blechdicke in die Bleche eingefügt und die vier Teile ineinander geschoben. Bei einer Kantenlänge der quadratischen Bleche von 0,3 m hat ein solcher Winkelreflektor im für die Sport- und Berufsschifffahrt üblichen X-Band (ca. 9,4 GHz) eine effektive Rückstrahlfläche von etwa 8 m² und damit etwa so viel wie ein einfaches Segelboot. Ein solcher Reflektor liefert ein auf Radargeräten auch bei großer Entfernung nicht zu übersehendes Zielzeichen auf dem Schirm. Zur Vermeidung von Verletzungsgefahr können die Ecken abgerundet werden, ohne dass dieses den Radarquerschnitt wesentlich verschlechtert.

Lüneburg-Linsen

Prinzip einer Lüneburg-Linse

Lüneburg-Linsen als Radarreflektor gibt es in verschiedenen Bauformen. Sie verwenden ein Material mit nach innen zunehmendem Gradientenindex, zum Beispiel ein geschäumtes Material, welches nach innen hin eine größere Dichte hat. Eine Hälfte dieser Kugel ist metallisch verspiegelt. Die Hauptrichtung der Reflexion ist die Symmetrieachse in die unverspiegelte Richtung. Auch diese Konstruktion reflektiert einfallende elektromagnetische Wellen in genau die Richtung, aus der sie kommen. Meist werden drei dieser Kugeln zu einer Montageeinheit vergossen, deren Hauptrichtungen um 120° versetzt sind, so dass eine Wirksamkeit für den Vollkreis von 360° entsteht. Diese Konstruktion wird als Tri-Lens-Radarreflektor bezeichnet.

Lüneburg-Linsen können auch als Rundum-Radarreflektor gefertigt werden, sie tragen dann statt der rückseitigen Verspiegelung nur einen schmalen waagerechten Gürtel aus einer leitfähigen Schicht. Sie müssen beim Einsatz als Radarreflektor an Booten immer genau senkrecht montiert werden, sodass die waagerecht beidseitig des Gürtels in die Kugel eintretenden Funkwellen exakt auf den reflektierenden Metallstreifen auf der Rückseite gebündelt werden. Diese Bauform der Lüneburg-Linse hat als Radarreflektor den Vorteil, dass ihr Rückstrahldiagramm rundum konstant ist und keine Minima oder Lücken aufweist, wie es bei Winkelreflektoren der Fall ist. Im Vergleich zu Winkelreflektoren ist sie bei gleicher effektiver Reflexionsfläche geometrisch größer.

Aktive Radarreflektoren

In der Sportschifffahrt und bei Rettungskräften werden auch Transponder und Search and Rescue Radar Transponder eingesetzt. Empfängt deren Elektronik einen Radarimpuls, wird ein starker Radarimpuls zurückgesendet. Dieser erscheint auf dem Radargerät als größeres „Echo“ als das Schiff selbst. Zusätzlich zeigen die aktiven Radarreflektoren mit einem Licht oder einem Warnton an, dass ein Radarimpuls empfangen wurde, und weisen so auf andere Schiffe in der Nähe hin. Ein großer Vorteil gegenüber passiven Reflektoren ist die drastisch erhöhte Reichweite, da bei Transpondern gemäß der Radargleichung die im Radargerät empfangene Leistung nicht der Zweiwegdämpfung (auf Hin- und Rückweg) sondern nur der einfachen Freiraumdämpfung unterliegt, da anstatt passiver Reflexion eine aktive Antwort mit fester Sendeleistung erfolgt. Ihr Nachteil ist, dass sie nur auf konstruktiv vorbestimmten Radarfrequenzen antworten können. Transponder können auch codierte Signale zurücksenden, die eine automatische Identifizierung ermöglichen. Ihr Nutzen ist heute allerdings umstritten, da neue Radartechnologien teilweise andere Frequenzbänder verwenden, auf denen ein aktiver Radarreflektor wirkungslos ist.

Anwendung

Winkelreflektoren als Ziele für Radargeräte finden Anwendung:

• als Kalibrierstandard für eine Freiraumkalibrierung von Antennen (zum Beispiel in der Flugsicherung zur Richtungsüberprüfung eines Präzisionsanflugradars);
• als Navigationshilfen zur Markierung von Schifffahrtswegen in schwierigem Wasser (auf schwimmenden Seezeichen, an Brücken);
• zur Markierung der Start- und Landebahn auf Flugplätzen;
• Radarreflektoren auf Wasserfahrzeugen zu deren besserer Erkennbarkeit durch Rundsichtradar anderer Schiffe und an Land;
• zur Simulation eines großen Flugkörpers mittels sogenannter Scheinziele;
• an einem Wetterballon zur Radarverfolgung und Messung von Windgeschwindigkeiten in großen Höhen;
• als definiertes Ziel zur Abstandsmessung bei Radargeräten in Industrieanwendungen;
• Markierung von gefährlichen Objekten für die Luftfahrt.

Oktaederförmiger Winkelreflektor als ein häufig verwendeter Radarreflektor im Top einer Motoryacht

Aufstellung von Radarreflektoren für Marine-Anwendungen

Damit ein Radarreflektor seine theoretisch mögliche Wirksamkeit auch erreichen kann, müssen bei der Aufstellung bestimmte Bedingungen berücksichtigt werden:

• Anbringung so hoch wie möglich, auf einem Segelschiff beispielsweise an der Mastspitze oder der obersten Saling. Dadurch wird erreicht, dass das Segelschiff auch dann noch ein ausreichendes Radarecho reflektiert, wenn wesentliche Teile wie der Rumpf oder das Rigg bereits hinter dem Radarhorizont liegen.
• Feste Anbringung, indem der Radarreflektor beispielsweise so festgeschraubt wird, dass er nicht verrutschen oder sich drehen kann. Das vermeidet nichtstationäre, sogenannte pumpende, Echos, wie es beispielsweise bei einer „fliegenden“ Befestigung an Fallen, dem Achterstag oder dem Toppnant der Fall wäre. Bei pumpenden Echos wird auf dem Radarschirm des Empfängers das reflektierte Signal abwechselnd dargestellt und nicht dargestellt. Raster-Scan-Anlagen für Radar der Sport- und Berufsschifffahrt unterdrücken unter Umständen jedoch derartige pumpende Echos, so dass das Segelschiff nicht wahrgenommen wird.
• Richtige Ausrichtung des Radarreflektors

Für die richtige Ausrichtung des Radarreflektors muss beachtet werden, ob es sich um ein Objekt mit einer in alle Richtungen nahezu gleichen Rückstrahlfläche handelt, wie z. B. bei einem Motorschiff, oder ob bestimmte Richtungen bereits eine ausreichend gute Rückstrahlfläche aufweisen, wie z .B. bei einem Segelschiff. Bei einem Segelschiff führt bei seitlichem Auftreffen von Radarstrahlen das Rigg bzw. das stehende Gut bereits zu ausreichenden Reflexionen, wohingegen das voraus und achteraus nur unzureichend der Fall ist. In diesem Fall sollte also ein Radarreflektor bevorzugt nach voraus und achteraus reflektieren, das heißt eine besonders große effektive Rückstrahlfläche haben.

Ein Oktaeder-Radarreflektor mit acht triangularen Winkelreflektoren, den sogenannten cornern, kann grundsätzlich in drei verschiedenen Stellungen angebracht werden:

• Die Viererstellung, bei der eine Spitze genau nach oben, eine Spitze genau nach unten ausgerichtet ist. Diese Stellung hat jedoch in horizontaler Richtung eine schlechte Rückstrahlcharakteristik, da effektiv nur vier Winkelreflektoren zur Rückstrahlung beitragen.
• Die Sechserstellung, bei der ein Winkelreflektor genau nach oben und ein Winkelreflektor genau nach unten ausgerichtet ist, so dass diese Stellung auch als „Regenfangstellung“ bezeichnet wird. Diese Stellung hat horizontal eine in alle Richtungen nahezu gleich gute und ausgeglichene Rückstrahlcharakteristik. Sie eignet sich somit vor allem für Motorschiffe.
• Die Yachtstellung, einer Sonderform der Sechserstellung, bei der ein Winkelreflektor genau nach vorne und ein Winkelreflektor genau nach hinten ausgerichtet ist. Diese Stellung hat eine sehr gute Rückstrahlung voraus und achteraus und weniger zu den Seiten, so dass sie sich vor allem für Segelschiffe eignet.

	Viererstellung	Sechserstellung	Yachtstellung
Anordnung
Rückstrahldiagramm (qualitativ)

Gemäß SOLAS-Konvention, Kapitel V, müssen sämtliche Schiffe, auch Freizeitjachten, „sofern praktikabel“ mit Radarreflektoren ausgerüstet sein. Für die Ausrüstung gilt aktuell ISO 8729, die in zwei Teilen (ISO 8729-1 für passive, ISO 8729-2 für aktive Reflektoren) vorliegt. Passive Reflektoren müssen eine wirksame Fläche von mindestens 2,5m² aufweisen, was allerdings eine Reflektorgröße ergibt, die für kleine Yachten nicht praktikabel ist. Es sind auch noch kaum Produkte erhältlich, die diese Norm erfüllen. Entsprechend gilt die Empfehlung, den größtmöglichen Reflektor zu benützen, der sich auf dem Schiff anbringen lässt.

Weblinks

Commons: Corner reflectors – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien